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大学物理实验超声波速测量实验报告
一实验目的
了解超声波的物理特性及其产生机制;
学会用相位法测超声波声速并学会用逐差法处理数据;
测量超声波在介质中的吸收系数及反射面的反射系数;
并运用超声波检测声场分布。
学习超声波产生和接收原理,
学习用相位法和共振干涉法测量声音在空气中传播速度,并与公认值进行比较。
观察和测量声波的双缝干涉和单缝衍射二实验条件
HLD-SV-II型声速测量综合实验仪,示波器,信号发生仪
三实验原理
1、超声波的有关物理知识
声波是一种在气体。液体、固体中传播的弹性波。声波按频率的高低分为次声波(f<20Hz)、声波(20Hz≤f≤20kHz)、超声波(f20kHz)和特超声波(f≥10MHz),如下图。
声波频谱分布图振荡源在介质中可产生如下形式的震荡波:
横波:质点振动方向和传播方向垂直的波,它只能在固体中传播。
纵波:质点振动方向和传播方向一致的波,它能在固体、液体、气体中的传播。
表面波:当材料介质受到交变应力作用时,产生沿介质表面传播的波,介质表面的质点做椭圆的振动,因此表面波只能在固体中传播且随深度的增加衰减很快。
板波:在板厚与波长相当的弹性薄板中传播的波,可分为SH波与兰姆波。
超声波由于其波长短、频率高,故它有其独特的特点:绕射现象小,方向性好,能定向传播;能量较高,穿透力强,在传播过程中衰减很小,在水中可以比在空气或固体中以更高的频率传的更远,而且在液体里的衰减和吸收是比较低的;能在异质界面产生反射、折射和波形转换。
2、理想气体中的声速值
声波在理想气体中的传播可认为是绝热过程,因此传播速度可表示为
rRT?V?
rRT
?
式中R为气体普适常量(R=8.314J/(mol.k)),?是气体的绝热指数(气体比定压热容与比
定容热容之比),?为分子量,T 为气体的热力学温度,若以摄氏温度t计算,则:T?T ?t
0
T ?273.15K
0
代入式(1)得,
1?tT0V? rR(T ?t)=rRT ? 1?t
1?
t
T
0
(2)
? 0 ? 0 T 0
0
对于空气介质,0℃时的声速V
0
=331.45
m/s。若同时考虑到空气中的蒸汽的影响,
校准后声速公式为:
V?331.45 (1?
t)(1?
T
0
0.319p
p
w)m/s (3)
式中p
w
为蒸汽的分压强,p为大气压强。
3、共振干涉法
设有一从发射源发出的一定频率的平面声波,经过空气传播,到达接收器,如果接收面与发射面严格平行,入射波即在接收面上垂直反射,入射波与反射波相干涉形成驻波,反射面处为位移的波节。改变接收器与发射源之间的距离l,在一系列特定的距离上,媒质中出
现稳定的驻波共振现象。此时,l等于半波长的整数倍,驻波的幅度达到极大;同时,在接
收面上的声压波腹也相应地达到极大值。不难看出,在移动接收器的过程中,相邻两次达到共振所对应的接收面之间的距离即为半波长。因此,若保持频率v不变,通过测量相邻两次接收信号达到极大值时接收面之间的距离(?/2),就可以用V?v?计算声速。
声压变化与接收器位置的关系:
4、相位比较法
发射波通过传声媒质到达接收器,所以在同一时刻,发射处的波与接收处的波的相位不同,其相位差?可利用示波器的李萨如图形来观察。? 和角频率?、传播时间t之间有
如下关系:
???t
同时有:
??2?/T,t?
l
,??TV
V
(式中T为周期),代入上式可求得声速V。
?的确定用如下方法:根据
??2?l/?
当l?n?/2(n?1,2,3,...)时,得??n?。
实验时,通过改变发射器与接收器之间的距离,可观察到相位的变化。而当相位差改变
?时,相应的距离l 的改变量即为半个波长。为精确测定波长的值,在实际的操作中要连
续测多个相位改变?的点的坐标,再用逐差法算出波长?的值,根据波长和频率值可求出声速。
行波法相位差图:
5声速测量及声波的双缝干涉与单丝衍射
由于超声波具有波长短,易于定向发射及抗干扰等优点,所以在超声波段进行声速测量是比较方便的。本实验用共振干涉法和相位比较法测量声音在空气中传播的声速;并研究声波双缝干涉,单缝衍射及声波的反射现象,将测量结果与理论计算进行比较,从而对波动学的物理规律和基本概念有更深的理解。
6、声波的干涉和衍射
双缝干涉实验装置如图1所示。对于不同的?角,如果从双缝到接收器的程差是零或波长的整数倍,就会产生相长干涉,因而观察到干涉强度的极大值;当程差是半波长的奇数
倍
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